슈퍼 하이브리드 나노구조 알루미늄 합금

NPG 아시아 재료 7권, e229페이지(2015)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

알루미늄 합금을 강화하는 방법은 1901년 시효 경화 현상이 발견된 이후 사용되었습니다. 벌크 Al 합금의 강도 상한은 기존 석출 강화에 의해 ~0.7GPa이고 결정립 미세화 및 비정질화를 통해 >1GPa로 증가합니다. 여기서 우리는 실온과 고온 모두에서 고강도를 갖는 벌크 하이브리드 나노구조 Al 합금을 보고합니다. 또한, 고해상도 투과전자현미경 관찰과 이론적 분석을 바탕으로 강화 메커니즘은 고강도 나노결정질 fcc-Al과 나노 크기의 금속간 화합물의 복합 효과와 이들 나노상 사이의 구속 효과에 기인합니다. . 우리는 또한 실온 및 고온에서 낮은 변형률 변형 후 fcc-Al에서 나노 크기 금속간 화합물의 소성 변형과 고밀도 적층 결함 및 쌍정의 발생을 보고합니다. 우리의 연구 결과는 고급 구조 응용 분야를 위한 고강도 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

알루미늄(Al)은 낮은 밀도, 높은 비강도, 높은 내식성, 우수한 기계 가공성 및 우수한 재활용성이라는 긍정적인 조합으로 인해 구조용으로 가장 널리 사용되는 비철금속 중 하나입니다.1 순수 Al, 1901년 Alfred Wilm이 시효경화 현상을 발견한 이후 고강도 Al 합금을 개발하려는 노력이 계속되어 왔습니다. 2, 3 지난 세기 동안 고용강화, 석출강화, 가공경화 등 다양한 강화이론을 바탕으로 한 방법들이 개발되었습니다. 및 결정립계(GB) 강화가 점차 확립되었습니다.4 이러한 강화 메커니즘의 적용으로 강도가 향상된 일련의 가공된 Al 합금이 개발되었습니다. 그러나 이러한 Al 합금의 항복 강도 수준은 일반적으로 ~700MPa로 제한됩니다.5

최근 고강도 Al 합금의 개발은 두 가지 주요 접근법을 통해 수행되었습니다. 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (1) 초미립자 또는 나노결정질(NC) Al 합금 생성 (2) GB 또는 전위와 같은 결정 결함이 없어 매우 높은 강도를 갖는 Al 기반 금속 유리(MG)를 생산합니다. 이러한 접근법은 고강도 Al 합금 생산에 매우 효과적이지만 여전히 중요한 한계가 존재합니다. 예를 들어, Al 기반 MG의 달성 가능한 크기는 Al 기반 합금의 열악한 유리 형성 능력으로 인해 다소 제한적입니다(일반적으로 1mm). 또한 NC의 비평형 상태와 열악한 열 안정성 또는 MG Al 합금은 고온에서 사용이 제한됩니다.12,13 NC 재료를 준비하는 또 다른 접근법은 적절한 열처리 조건에서 비정질 고체를 결정화하는 것입니다.12,14,15,16,17 이것이 Al을 합성하는 성공적인 방법을 제공하지만 강도가 최대에 근접한 합금의 경우, 본질적으로 비정질 전구체의 결정화 거동에 의해 결정되는 미세 구조 및 결과 특성에 대한 우수한 제어를 제공하지 않습니다. 여기서 우리는 초고강도의 Al 기반 합금 생산을 위한 미세 구조 전략을 보고하고 강화 메커니즘을 설명합니다.

공칭 조성이 Al84Ni7Gd6Co3(at.%)인 분말은 Ar 가스 원자화 방법으로 생성되었습니다. 밀링 실험은 보호 아르곤 대기 하에서 Retsch PM400 유성 볼 밀(Retsch GmbH, 독일 뒤셀도르프)을 사용하여 수행되었습니다(자세한 내용은 Wang et al.18 참조). 밀링 과정에서 발생할 수 있는 오염을 방지하기 위해 정제된 아르곤 대기(<1ppm의 O2 및 H2O). 산소 함량 분석은 LECO USA TC-436 DR 분석기(LECO Co. Ltd., St. Joseph, MI, USA)를 사용하여 운반 가스 열 추출을 통해 수행되었습니다. CARL ZEISS Specord M500 분광광도계(Carl Zeiss Jena GmbH, Jena, Germany)를 사용하여 철 함량을 평가했습니다. 일련의 Al84Ni7Gd6Co3 벌크 실린더(직경 10mm, 길이 ~10mm)는 가스 원자화 분말(HP0)과 50시간(HP1) 및 100시간(HP2) 동안 밀링된 분말을 사용하여 640MPa 및 Thp=773K에서 핫 프레싱하여 생산되었습니다. ). 약 2~3.5g의 분말을 먼저 직경 10mm의 다이에 넣은 다음 20kN으로 미리 로드했습니다. 산소 오염의 위험을 최소화하기 위해 탈기를 위한 고온 프레싱 전에 챔버를 약 1 x 10-4 Pa로 비웠습니다. 원하는 핫 프레싱 온도에 도달하면 3분 동안 등온적으로 핫 프레싱을 수행했습니다. 핫 프레싱 후, 아르곤을 퍼지하여 챔버에서 샘플을 제거했습니다. 상과 미세구조는 Philips PW 1050 회절계(Philips, Eindhoven, The Holland)(Co K 방사선)를 사용한 X선 회절과 Leo Gemini 1530 현미경(Zeiss, Oberkochen, Germany)을 사용하여 전자 현미경(SEM)을 주사하여 연구했습니다. EDX(에너지 분산형 X선)와 EDX 및 JEOL HRTEM 2100(JEOL Ltd., Tokyo)을 사용하여 300kV에서 작동하는 Philips Tecnai F30 현미경(FEI, 네덜란드 아인트호벤)을 사용하는 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 검사 , 일본) 현장 방출 총을 사용합니다. 압축 시험을 위한 ASTM 표준에 따라, 압밀된 시료로부터 길이/직경 비율이 2.0(길이 6mm, 직경 3mm)인 실린더를 제조했습니다. 시편은 Instron 8562 시험 시설(Instron Co., Norwood, MA, USA)을 사용하여 준정적 하중(변형율 1 x 10-3 s-1) 하에서 실온에서 시험되었으며 Instron 8562-3 기계를 사용하여 고온에서 시험되었습니다. (1 × 10-4 s-1의 변형률), 최소 3개의 시편을 무작위로 선택하여 각 매개변수에 대해 테스트했습니다. 미세 경도 측정은 HMV Shimadzu Vickers 경도 시험기(Shimadzu Co. Ltd., 교토, 일본)를 사용하여 수행되었습니다. 여기에 보고된 경도 값은 샘플당 >25 압입의 평균입니다. 영률은 MATEC 6600 초음파 시스템(Matec Instrument Companies Inc., Northborough, MA, USA)을 사용하여 직경 ~10mm 및 길이 ~10mm의 평면 평행 샘플에서 측정되었습니다. Berkovich 팁이 장착된 Agilent NanoSuite Nanoindentation G200(Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)을 사용하여 실온에서 Nanoindentation을 수행했습니다. 본 연구에서는 0.05s-1의 일정한 압입 변형률((dP/dt)/P)을 사용했습니다.